Eqdif2a Libre

Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem

e a Transformada de Laplace

Reginaldo J. Santos

Departamento de Matematica-ICEx

Universidade Federal de Minas Gerais

http://www.mat.ufmg.br/~regi

19 de fevereiro de 2003

Sumario

1 Equacoes Homogeneas 3

1.1 Solucoes Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Formula de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Obtendo uma Segunda Solucao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Eqs. Homogeneas com Coeficientes Constantes 11

2.1 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Reais . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas . . . . . . . . . . . 12

2.3 A Equacao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real . . . . . . . . . . . 14

3 Equacoes nao Homogeneas 15

3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes . . . . . . . . 17

4 Equacoes com Coeficientes nao Constantes 22

4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.1 Equacoes que nao Contem y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.2 Equacoes que nao Contem t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1

http://www.mat.ufmg.br/~regi

2 SUMARIO

4.1.3 Equacoes de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Solucoes em Series de Potencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5 Exerccios sobre Solucoes em Series de Potencias 26

6 Transformada de Laplace 40

6.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.2 Tabela de Transformadas de Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo . . . . . . . . . . . . 48

6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.6 Convolucao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7 Exerccios sobre Transformada de Laplace 56

Equacoes Diferenciais Lineares de 2a. Ordem 19 de fevereiro de 2003

3

1 Equacoes Homogeneas

Uma equacao diferencial linear de 2a. ordem e homogenea se ela pode ser escrita como

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = 0. (1)

Para as equacoes lineares homogeneas e valido o princpio da superposicao que diz

que se y1(t) e y2(t) sao solucoes da equacao (1), entao para quaisquer numeros c1 e c2,

y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) (2)

tambem o e. Vamos verificar que realmente y(t) dado por (2) e solucao de (1).

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y =

d2

dt2(c1y1 + c2y2) +

p(t)d

dt(c1y1 + c2y2) + q(t) (c1y1 + c2y2)

= c1d2y1dt2

+ c2d2y2dt2

+ c1p(t)dy1dt

+ c2p(t)dy2dt

+ c1q(t)y1 + c2q(t)y2

= c1

(d2y1dt2

+ p(t)dy1dt

+ q(t)y1

)

+ c2

(d2y2dt2

+ p(t)dy2dt

+ q(t)y2

)

= c1 0 + c2 0 = 0,

pois y1(t) e y2(t) sao solucoes de (1). Mostramos o seguinte teorema.

Teorema 1 (Princpio da Superposicao). Se y1(t) e y2(t) sao solucoes de (1), entao,

para todos numeros c1 e c2, y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) tambem o e.

1.1 Solucoes Fundamentais

Considere, agora, o problema de valor inicial

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = 0,

y(t0) = y0,y(t0) = y

0

(3)

19 de fevereiro de 2003 Reginaldo J. Santos

4 1 EQUACOES HOMOGENEAS

em que y0 e y

0 sao condicoes iniciais dadas no problema.

Vamos determinar condicoes sobre as solucoes y1(t) e y2(t) para que existam constantes

c1 e c2 tais que y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) seja solucao do problema de valor inicial (3).

Substituindo-se t = t0 na solucao y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) e na derivada de y(t), y(t) =

c1y

1(t) + c2y

2(t) obtemos o sistema de equacoes lineares

{c1y1(t0) + c2y2(t0) = y0c1y

1(t0) + c2y

2(t0) = y

0

que pode ser escrito na forma

AX = B

em que

A =

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

, X =

[c1c2

]

e B =

[y0y0

]

.

Se a matriz do sistema A e invertvel, entao o sistema tem solucao para todo par y0

e y0 (ou todo B) (A solucao e X = A1B)(ver, por exemplo, na pagina 86 de [3]). Mas

uma matriz quadrada e invertvel se, e somente se, o seu determinante e diferente de zero

(ver, por exemplo, na pagina 116 de [3]). Ou seja, se

det

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

6= 0,

entao existem constantes c1 e c2 tais que y(t) = c1y1(t) + c2y2(t) e solucao do problema

de valor inicial (3). Provamos o seguinte resultado.

Teorema 2. Sejam y1(t) e y2(t) duas solucoes da equacao (1) tais que, em um ponto

t0 R,det

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

6= 0.

Entao o problema de valor inicial

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = 0,

y(t0) = y0,y(t0) = y

0


1.1 Solucoes Fundamentais 5

tem solucao na forma

y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)

para todas as condicoes iniciais dadas y0 e y

0.

O determinante

W [y1, y2](t0) = det

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

e chamado wronskiano das funcoes y1(t) e y2(t) em t0. Se as solucoes y1(t) e y2(t) sao tais

que o seu wronskiano e diferente de zero em um ponto t0 dizemos que elas sao solucoes

fundamentais de (1) e que

y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)

e a solucao geral de (1). Assim para encontrar a solucao geral de uma equacao diferencial

linear homogenea de 2a. ordem (1) precisamos encontrar duas solucoes fundamentais da

equacao (1), ou seja, duas solucoes y1(t) e y2(t) tais que em um ponto t0 R

det

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

6= 0.

Exemplo 1. Seja b um numero real nao nulo. Vamos mostrar que y1(t) = cos bt e

y2(t) = sen bt sao solucoes fundamentais da equacao

y + b2y = 0.

Como y1(t) = b sen bt, y1(t) = b2 cos bt, y2(t) = b cos bt e y2(t) = b2 sen bt, entao

y1 + b2y1 = b2 cos bt + b2 cos bt = 0

e

y2 + b2y2 = b2 sen bt + b2 sen bt = 0.

Assim, y1(t) e y2(t) sao solucoes da equacao y + b2y = 0. Alem disso,

det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= det

[cos bt sen bt

b sen bt b cos bt

]

= b(cos2 bt + sen2 bt) = b 6= 0.

Portanto, y1(t) = cos bt e y2(t) = sen bt sao solucoes fundamentais de y + b2y = 0.



Dizemos que duas funcoes y1(t) e y2(t) sao linearmente dependentes (L.D.) em

um intervalo I, se uma das funcoes e um multiplo escalar da outra, ou seja, se

y1(t) = y2(t) ou y2(t) = y1(t), para todo t I.

Caso contrario, dizemos que elas sao linearmente independentes (L.I.).

Se duas funcoes sao L.D. em um intervalo I, entao

W [y1, y2](t) = det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= 0, para todo t I

pois uma coluna e um multiplo escalar da outra. Assim, vale o seguinte resultado

Teorema 3. Se y1(t) e y2(t) sao funcoes tais que

W [y1, y2](t0) = det

[y1(t0) y2(t0)y1(t0) y

2(t0)

]

6= 0, para algum t0 I,

entao y1(t) e y2(t) sao linearmente independentes (L.I.) em I.

1.2 Formula de Euler

Vamos definir a funcao exponencial f(t) = ert para numeros complexos r = a + ib de

forma que satisfaca as propriedades

e(a+ib)t = eateibt (4)

d

dt

(ert

)= rert (5)

Observe que a funcao g(t) = eibt e solucao da equacao y + b2y = 0, pois pela proprie-

dade (5) g(t) = ibeibt, g(t) = b2eibt e g(t) + b2g(t) = b2eibt + b2eibt = 0.Assim, g(t) = eibt e solucao do problema de valor inicial

{y + b2y = 0,y(0) = 1, y(0) = ib


1.2 Formula de Euler 7

Agora, como mostramos no Exemplo 1 que y1(t) = cos bt e y2(t) = sen bt sao solucoes

fundamentais de y + b2y = 0, entao pelo Teorema 2 existem constantes c1 e c2 tais que

g(t) = eibt = c1 cos bt + c2 sen bt. (6)

Vamos determinar estas constantes c1 e c2. Substituindo-se t = 0 na equacao (6) obtemos

que c1 = 1. Derivando a equacao (6) em relacao a t obtemos

ibeibt = c1b sen bt + c2b cos bt. (7)

Substituindo-se t = 0 na equacao (7) obtemos que c2 = i. Assim substituindo-se c1 = 1

e c2 = i ja obtidos na equacao (6) obtemos que eibt = cos bt + i sen bt. Portanto, pela

propriedade (4),

e(a+ib)t = eat(cos bt + i sen bt). (8)

Esta equacao e conhecida como formula de Euler.



1.3 Obtendo uma Segunda Solucao

Considere uma equacao linear de 2a. ordem homogenea

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = 0. (9)

Seja y1(t) uma solucao conhecida da equacao acima num intervalo I tal que y1(t) 6= 0para todo t I. Vamos procurar uma segunda solucao da equacao da forma

y(t) = v(t)y1(t).

Como

y(t) = vy1 + y1v e y(t) = vy1 + 2y

1v + y1v

,

entao y(t) e solucao da equacao se, e somente se,

y + p(t)y + q(t)y = y1v + v(2y1 + p(t)y1) + v(y

1 + p(t)y

1 + q(t)y1) = 0.

Como y1(t) e solucao da equacao (9), entao

y1v + v(2y1 + p(t)y1) = 0. (10)

Seja w(t) = v(t). Entao a equacao (10) pode ser escrita como

y1w + (2y1 + p(t)y1)w = 0.

Esta e uma equacao de 1a. ordem separavel.

w

w+

2y1 + p(t)y1y1

= 0

d

dt

(

ln |w| + 2 ln |y1| +

p(t)dt

)

= 0

lnwy21

+

p(t)dt = C

w(t) = v(t) = C1e

p(t)dt

y1(t)2


1.3 Obtendo uma Segunda Solucao 9

Resolvendo a equacao para v(t):

v(t) = C1

e

p(t)dt

y1(t)2dt + C2

y(t) = v(t)y1(t) = c1y1(t)

e

p(t)dt

y1(t)2dt + c2y1(t)

Tomando-se C2 = 0 e C1 = 1 obtemos uma segunda solucao da equacao (9)

y2(t) = y1(t)

e

p(t)dt

y1(t)2dt (11)

Vamos ver que y1(t) dada e y2(t) obtida por (11) sao solucoes fundamentais da

equacao (9).

W [y1, y2](t) = det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= det

[

y1(t) y1(t)

e

p(t)dt

y1(t)2dt

y1(t) y

1(t)

e

p(t)dt

y1(t)2dt + e

p(t)dt

y1(t)

]

= e

p(t)dt 6= 0

Assim se y1(t) e uma solucao conhecida da equacao (9) e y2(t) e dada por (11) entao

y(t) = c1y1(t) + c2y2(t)

e solucao geral da equacao (9).

Atencao: Nao se deve memorizar a formula obtida para y2(t). O que fizemos aqui foi

mostrar o caminho que deve ser seguido para encontrar uma segunda solucao da equacao

linear homogenea de 2a. ordem.

No proximo exemplo vamos seguir os mesmos passos que seguimos no caso geral.

Exemplo 2. Considere a equacao

ay + by + cy = 0 tal que b2 4ac = 0



Deixamos como exerccio verificar que y1(t) = ert, em que r =

b2a

e uma solucao da

equacao acima. Vamos procurar uma segunda solucao da forma

y(t) = v(t)y1(t) = v(t)ert.

Como

y(t) = v(t)ert + rv(t)ert e y(t) = v(t)ert + 2rv(t)ert + r2v(t)ert

entao y(t) e solucao da equacao se, e somente se,

ay + by + cy = a(v +2rv +r2v)+ b(vrv)+ cv = av +(2ar+ b)v +(ar2 + br+ c) = 0.

Como r e solucao da equacao ar2 + br + c = 0, entao

v(t) = 0.

Seja w(t) = v(t). Entao a equacao v(t) = 0 torna-se w(t) = 0 que tem solucao w(t) =

C1. Resolvendo a equacao v(t) = w(t) = C1 obtemos

v(t) = C1t + C2 e y(t) = (C1t + C2)ert.

Tomando-se C2 = 0 e C1 = 1 obtemos

y2(t) = tert.

Vamos ver que y1(t) = ert e y2(t) = te

rt, em que r = b2a

, sao solucoes fundamentais da

equacao

det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= det

[ert tert

rert (1 + rt)ert

]

= e2rt det

[1 tr (1 + rt)

]

= e2rt 6= 0, para todo t R.

Assim

y(t) = c1ert + c2te

rt, em que r = b2a

e a solucao geral da equacao ay + by + cy = 0, tal que b2 4ac = 0.


11

2 Eqs. Homogeneas com Coeficientes Constantes

Vamos tratar de equacoes da forma

ad2y

dt2+ b

dy

dt+ cy = 0. (12)

em que a, b e c sao numeros reais, a 6= 0. Vamos descobrir se existem valores constantesde r tais que y(t) = ert e uma solucao de (12). Substituindo-se y = ert,

dy

dt= rert e

d2y

dt2= r2ert em (12) obtemos

ar2ert + brert + cert = (ar2 + br + c)ert = 0.

Como ert 6= 0, entao y(t) = ert e solucao de (12) se, e somente se, r e solucao da equacao

ar2 + br + c = 0 (13)

que e chamada equacao caracterstica de (12).

2.1 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Reais

Se a equacao caracterstica de (12) tem duas razes reais (distintas), r1 e r2, entao

y1(t) = er1t e y2(t) = e

r2t

sao solucoes fundamentais, pois

det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= det

[er1t er2t

r1er1t r2e

r2t

]

= er1ter2t det

[1 1r1 r2

]

= (r2 r1)e(r1+r2)t 6= 0, para todo t R.

Assim no caso em que a equacao caracterstica tem duas razes reais distintas r1 e r2,

y(t) = c1er1t + c2e

r2t

e a solucao geral de (12).


12 2 EQS. HOMOGENEAS COM COEFICIENTES CONSTANTES

Exemplo 3. Seja um numero real positivo. Vamos encontrar a solucao geral da

equacao

y 2y = 0.

A equacao caracterstica desta equacao diferencial e

r2 2 = 0

que tem como razes r1 = e r2 = . Assim, a solucao geral da equacao diferencialacima e

y(t) = c1et + c2e

t.

2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas

Se a equacao caracterstica de (12) tem duas razes complexas, entao elas sao numeros

complexos conjugados, ou seja, se r1 = + i e uma raiz da equacao caracterstica (13),

entao a outra raiz e r2 = i. Neste caso, pela formula de Euler (8):

y1(t) = er1t = e(+i)t = et(cos t + i sen t) e

y2(t) = er2t = e(i)t = et(cos(t) + i sen (t)) = et(cos t isen t)

sao solucoes complexas da equacao diferencial (12).

Vamos encontrar um conjunto fundamental de solucoes reais. Pelo Teorema 1 na

pagina 3 se y1(t) = er1t e y2(t) = e

r2t sao solucoes de uma equacao diferencial linear

homogenea, entao para quaisquer numeros c1 e c2, y(t) = c1y1(t) + c2y2(t), tambem e

solucao. Em particular tomando c1 = c2 = 1/2, temos que

u(t) = c1y1(t) + c2y2(t) =1

2er1t +

1

2er2t

=1

2

[et(cos t + i sen t) + et(cos t i sen t)

]= et cos t

e solucao de (12). Tomando c1 =1

2ie c2 =

1

2i, temos que

v(t) = c1y1(t) + c2y2(t) =1

2ier1t 1

2ier2t

=1

2i

[et(cos t + i sen t) et(cos t i sen t)

]= et sen t


2.2 A Equacao Caracterstica Tem Duas Razes Complexas 13

tambem e solucao de (12). Vamos mostrar, agora, que se as razes da equacao carac-

terstica sao complexas, entao u(t) e v(t) sao solucoes fundamentais de (12).

det

[u(t) v(t)u(t) v(t)

]

= det

[et cos t et sen t

et( cos t sen t) et(sen t + cos t)

]

= e2t(

det

[cos t sen tcos t sen t

]

+ det

[cos t sen tsen t cos t

])

= e2t 6= 0, para todo t R.

Assim no caso em que a equacao caracterstica tem duas razes complexas r1 = + i e

r2 = i,y(t) = c1e

t cos t + c2et sen t


Exemplo 4. Seja um numero real positivo. Vamos encontrar a solucao geral da

equacao

y + 2y = 0.

A equacao caracterstica desta equacao diferencial e

r2 + 2 = 0

que tem como razes r1 = i e r2 = i. Assim, a solucao geral da equacao diferencialacima e

y(t) = c1 cos t + c2 sen t.


14 2 EQS. HOMOGENEAS COM COEFICIENTES CONSTANTES

2.3 A Equacao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real

Se = b2 4ac = 0, entao a equacao caracterstica (13) tem somente uma raiz realr1 =

b

2a. Neste caso,

y1(t) = er1t

e solucao da equacao diferencial (12).

Vamos mostrar que y2(t) = ter1t 1 tambem e solucao da equacao (12). Como

dy2dt

=

(1 + r1t)er1t e

d2y2dt2

= (2r1 + r21t)e

r1t, entao

ad2y2dt2

+ bdy2dt

+ cy2 = a(2r1 + r21t)e

r1t + b(1 + r1t)er1t + cter1t

= [(b + 2ar1) + (ar21 + br1 + c)t]e

r1t

= (0 + 0t)er1t = 0,

pois b + 2ar1 = b + 2a(b2a

)= 0 e como r1 e raiz da equacao ar

2 + br + c = 0, entao

ar21 + br1 + c = 0.

Assim y2(t) = ter1t e solucao da equacao diferencial (12).

Vamos mostrar que

y1(t) = er1t e y2(t) = te

r1t

sao solucoes fundamentais da equacao diferencial (12).

det

[y1(t) y2(t)y1(t) y

2(t)

]

= det

[er1t ter1t

r1er1t (1 + r1t)e

r1t

]

= e2r1t det

[1 tr1 (1 + r1t)

]

= e2r1t 6= 0, para todo t R.

Portanto no caso em que a equacao caracterstica tem somente uma raz real r1 = b

2a,

y(t) = c1er1t + c2te

r1t

1No Exemplo 2 na pagina 9 mostramos como encontrar esta segunda solucao.


15


3 Equacoes nao Homogeneas

Uma equacao diferencial linear de 2a. ordem e nao homogenea se ela pode ser escrita

comod2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = g(t). (14)

em que p(t), q(t) e g(t) sao funcoes contnuas em um intervalo I, com g(t) 6= 0.Se y(t) e uma solucao qualquer de (14) e yp(t) e uma solucao particular de (14), entao

Y (t) = y(t) yp(t) e solucao da equacao homogenea associada

d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y = 0. (15)

Pois,

d2Y

dt2+ p(t)

dY

dt+ q(t)Y =

d2

dt2(y(t) yp(t)) + p(t)

d

dt(y(t) yp(t)) + q(t)(y(t) yp(t)) =

(d2y

dt2+ p(t)

dy

dt+ q(t)y

)

(

d2ypdt2

+ p(t)dypdt

+ q(t)yp

)

= g(t) g(t) = 0.

Assim se y1(t) e y2(t) sao solucoes fundamentais da equacao homogenea associada (15),

existem constantes c1 e c2 tais que

Y (t) = y(t) yp(t) = c1y1(t) + c1y2(t),

ou seja, se y(t) e uma solucao qualquer de (14) e y1(t) e y2(t) sao solucoes fundamentais

da equacao homogenea associada (15), entao

y(t) = c1y1(t) + c1y2(t) + yp(t). (16)

Dizemos que (16) e a solucao geral da equacao linear de 2a. ordem nao homogenea (14),

sendo y1(t) e y2(t) solucoes fundamentais da equacao homogenea associada (15) e yp(t)

uma solucao particular.


16 3 EQUACOES NAO HOMOGENEAS

Portanto para encontrar a solucao geral de uma equacao linear de 2a. ordem nao ho-

mogenea precisamos encontrar uma solucao particular e duas solucoes fundamentais da

equacao homogenea correspondente.

Teorema 4 (Princpio da Superposicao para Equacoes nao Homogeneas).

Sejam y(1)p (t) uma solucao de

y + p(t)y + q(t)y = g1(t)

e y(2)p (t) uma solucao de

y + p(t)y + q(t)y = g2(t).

Entao yp(t) = y(1)p (t) + y

(2)p (t) e solucao de

y + p(t)y + q(t)y = g1(t) + g2(t)

Demonstracao.

(y(1)p (t) + y(2)p (t))

+ p(t)(y(1)p (t) + y(2)p (t))

+

+ q(t)(y(1)p (t) + y(2)p (t)) =

= y(1)p (t) + p(t)y(1)p (t)

+ q(t)y(1)p (t)

g1(t)

+

+ y(2)p (t) + p(t)y(2)p (t)

+ q(t)y(2)p (t)

g2(t)

= g1(t) + g2(t)


3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes 17

3.1 Eqs. Lineares nao Homogeneas com Coeficientes Constantes

Vamos tratar de equacoes da forma

ad2y

dt2+ b

dy

dt+ cy = g(t). (17)

em que a, b e c sao numeros reais, a 6= 0. Vamos apresentar um metodo de encontrar umasolucao particular das equacoes nao homogeneas chamado metodo dos coeficientes a

determinar que funciona quando a funcao g(t) tem uma das seguintes formas:

(1) g(t) = a0 + . . . + antn, em que a0, . . . , an R.

Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:

yp(t) = ts(A0 + . . . + Ant

n)

em que s e o menor inteiro nao negativo que garanta que nenhuma parcela de yp(t)

seja solucao da equacao homogenea correspondente e A0, . . . , An sao coeficientes a

ser determinados substituindo-se yp(t) na equacao (17). O Exemplo 5 ilustra este

caso.

(2) g(t) = (a0 + . . . + antn)ebt, em que a0, . . . , an, b R.

Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:

yp(t) = ts(A0 + . . . + Ant

n)ebt

em que s e o menor inteiro nao negativo que garanta que nenhuma parcela de yp(t)

seja solucao da equacao homogenea correspondente e A0, . . . , An sao coeficientes a

ser determinados substituindo-se yp(t) na equacao (17). O Exemplo 6 ilustra este

caso.

(3) g(t) = (a0 + . . . + antn)et cos t + (b0 + . . . + bmt

m)et sen t,

em que a0, . . . , an R e b0, . . . , bm R.Neste caso deve-se procurar uma solucao particular da forma:

yp(t) = ts[(A0 + . . . + Aqt

q)et cos t + (B0 + . . . + Bqtq)et sen t]



em que q = max{m,n}, s e o menor inteiro nao negativo que garanta quenenhuma parcela de yp(t) seja solucao da equacao homogenea correspondente e

A0, . . . , Aq, B0, . . . , Bq sao coeficientes a ser determinados substituindo-se yp(t) na

equacao (17). O Exemplo 7 ilustra este caso.

Exemplo 5. Vamos encontrar a solucao geral da equacao

y + y = 2 + t2.

Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y + y = 0.

A equacao caracterstica e

r2 + r = 0

que tem como razes r1 = 0 e r2 = 1. Assim a solucao geral da equacao homogeneacorrespondente y + y = 0 e

y(t) = c1 + c2et.

O segundo membro da equacao g(t) = 2+ t2 e da forma (1). Vamos procurar uma solucao

particular da forma

yp(t) = t1(A0 + A1t + A2t

2) = A0t + A1t2 + A2t

3

O valor de s e igual a 1, pois para s = 0, a parcela A0 e solucao da equacao homogenea

(c2 = 0 e c1 = A0).

yp(t) = A0 + 2A1t + 3A2t2

yp(t) = 2A1 + 6A2t.

Substituindo yp(t) e y

p(t) na equacao y + y = 2 + t2 obtemos

(2A1 + 6A2t) + (A0 + 2A1t + 3A2t2) = (A0 + 2A1) + (2A1 + 6A2)t + 3A2t

2 = 2 + t2

Comparando os termos de mesmo grau obtemos o sistema linear

A0 + 2A1 = 22A1 + 6A2 = 0

3A2 = 1



que tem solucao A0 = 4, A1 = 1 e A2 = 1/3. Assim uma solucao particular da equacaonao homogenea e

yp(t) = 4t t2 +1

3t3

e a solucao geral da equacao nao homogenea e

y(t) = c1 + c2et + 4t t2 + 1

3t3


y + 2y + y = (2 + t)et.

Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y +2y+y =

0. A equacao caracterstica e

r2 + 2r + 1 = 0

que tem como raiz r1 = 1. Assim a solucao geral da equacao homogenea correspondentey + 2y + y = 0 e

y(t) = c1et + c2te

t.

O segundo membro da equacao g(t) = (2 + t)et e da forma (2). Vamos procurar uma

solucao particular da forma

yp(t) = t2(A0 + A1t)e

t = (A0t2 + A1t

3)et

O valor de s e igual a 2, pois para s = 0 as parcelas A0et e A1te

t sao solucoes da

equacao homogenea e para s = 1 a parcela A0tet e solucao da equacao homogenea.

yp(t) =(2A0t + (3A1 A0)t2 A1t3

)et

yp(t) =(2A0 + (6A1 4A0)t + (A0 6A1)t2 A1t3

)et.


p(t) na equacao y + 2y + y = (2 + t)et obtemos

(2A0 + (6A1 4A0)t + (A0 6A1)t2 A1t3

)et +

+ 2(2A0t + (3A1 A0)t2 A1t3

)et +

+ (A0t2 + A1t

3)et = (2 + t)et



Simplificando o primeiro membro obtemos

(2A0 + 6A1t) et = (2 + t)et 2A0 + 6A1t = 2 + t

Comparando os termos de mesmo grau obtemos o sistema linear{

2A0 = 26A1 = 1

que tem solucao A0 = 1 e A1 = 1/6. Assim uma solucao particular da equacao nao

homogenea e

yp(t) = (t2 +

1

6t3)et


y(t) = c1et + c2te

t + (t2 +1

6t3)et


y + 2y + 2y = et cos t.

Precisamos encontrar a solucao geral da equacao homogenea correspondente y +2y+2y =

0. A equacao caracterstica e

r2 + 2r + 2 = 0

que tem como razes r1 = 1 + i e r2 = 1 i. Assim a solucao geral da equacaohomogenea correspondente y + 2y + 2y = 0 e

y(t) = c1et cos t + c2e

t sen t.

O segundo membro da equacao g(t) = et cos t e da forma (3). Vamos procurar uma

solucao particular da forma

yp(t) = t0(Aet cos t + Bet sen t) = Aet cos t + Bet sen t

O valor de s e igual a 0, pois nenhuma parcela de yp(t) e solucao da equacao homogenea.

yp(t) = A(et cos t etsen t) + B(etsen t + et cos t+) = (A + B)et cos t + (B A)et sen t



yp(t) = 2Bet cos t 2Aet sen t.


p(t) na equacao y + 2y + y = et cos t obtemos

2Bet cos t 2Aet sen t++ 2

((A + B)et cos t + (B A)et sen t

)+

+ 2(Aet cos t + Bet sen t) = et cos t

Simplificando o primeiro membro obtemos

(4A + 4B)et cos t + (4B 4A)et sen t = et cos t

Comparando os coeficientes de et cos t e de et sen t obtemos o sistema linear

{4A + 4B = 1

4A + 4B = 0

que tem solucao A = 1/8 e B = 1/8. Assim uma solucao particular da equacao naohomogenea e

yp(t) =1

8et cos t +

1

8et sen t


y(t) = c1et cos t + c2e

t sen t +1

8et(cos t + sen t)


22 4 EQUACOES COM COEFICIENTES NAO CONSTANTES

4 Equacoes com Coeficientes nao Constantes

4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem

4.1.1 Equacoes que nao Contem y

Equacoes que podem ser escritas na forma

y = f(y, t) (18)

podem ser resolvidas fazendo-se a substituicao v(t) = y(t). O que transforma a equacao

(18) em

v f(v, t) = 0

Esta e uma equacao de 1a. ordem. Depois de resolvida esta equacao, resolve-se a equacao

dy

dt= v(t).

4.1.2 Equacoes que nao Contem t

Equacoes que podem ser escritas na forma

y = f(y, y) (19)

podem ser resolvidas fazendo-se a substituicao v(t) = y(t). O que transforma a equacao

emdv

dt= f(v, y)

Se considerarmos v = v(y(t)), entao

dv

dt=

dv

dy

dy

dt= v

dv

dy

E a equacao (19) se transforma em

vdv

dy= f(v, y)


4.1 Substituicoes em Equacoes de 2a. Ordem 23

Depois de resolvida esta equacao resolve-se

dy

dt= v(y)

4.1.3 Equacoes de Euler

As equacoes de Euler sao equacoes que podem ser escritas na forma

t2d2y

dt2+ t

dy

dt+ y = 0. (20)

em que e sao constantes reais. A substituicao x = ln t transforma a equacao de Euler

numa equacao linear com coeficientes constantes.

dy

dt=

dy

dx

dx

dt=

1

t

dy

dx

d2y

dt2=

d

dt

(dy

dt

)

= 1t2

dy

dx+

1

t

d

dt

(dy

dx

)

= 1t2

dy

dx+

1

t

d

dx

(dy

dx

)dx

dt= 1

t2dy

dx+

1

t2d2y

dx2

Substituindo-se na equacao de Euler (20) obtemos a equacao linear com coeficientes cons-

tantesd2y

dx2+ ( 1)dy

dx+ y = 0.

Se y1(x) e y2(x) sao solucoes fundamentais desta equacao, entao

y(t) = c1y1(ln t) + c2y2(ln t)

e a solucao geral da equacao de Euler (20).


24 4 EQUACOES COM COEFICIENTES NAO CONSTANTES

4.2 Solucoes em Series de Potencias

Uma serie de potencias de t e uma expressao da forma

n=0

antn = a0 + a1t + a2t

2 + . . . ,

em que a0, a1, a2, . . . sao numeros denominados coeficientes da serie. Podemos definir

uma funcao f(t) que associa a cada valor de t, para o qual existe o limite

limN

N

n=0

antn = lim

N(a0 + a1t + a2t

2 + . . . + aN tN),

o valor deste limite e escrevemos

f(t) =

n=0


2 + . . .

Por exemplo,

f(t) =1

1 t =

n=0

tn = 1 + t + t2 + . . . , para |t| < 1

Sao validas as seguintes propriedades para as series de potencias:

(a) Se f(t) =

n=0

antn e g(t) =

n=0

bntn, entao para todos os numeros e ,

f(t) + g(t) =

n=0

(an + bn)tn.

(b) Se f(t) =

n=0


2 + a3t3 + , entao

f (t) = a1 + 2a2t + 3a3t2 + =

n=0

(n + 1)an+1tn =

n=1

nantn1

f (t) = 2a2 + 2 3t + 3 2t2 + =

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

=

n=2

n(n 1)antn2 =

n=1

(n + 1)nan+1tn1


4.2 Solucoes em Series de Potencias 25

(c) Se

n=0

antn = 0, entao an = 0, para n = 0, 1, 2, . . ..

Considere uma equacao da forma

P (t)d2y

dt2+ Q(t)

dy

dt+ R(t)y = 0. (21)

em que P (t) e Q(t) sao polinomios tais que P (0) 6= 0. Pode-se mostrar que nestascondicoes a solucao geral desta equacao pode ser escrita como uma serie de potencias de

t. Para encontrar uma tal solucao, escrevemos a solucao y(t) como uma serie de potencias

de t, com os coeficientes a determinar,

y(t) =

n=0


2 + a3t3 + ,

e substituimos na equacao (21) esta serie, a serie da primeira derivada

y(t) = a1 + 2a2t + 3a3t2 + =

n=0

(n + 1)an+1tn

e a serie da segunda derivada

y(t) = 2a2 + 2 3a3t + 3 4a4t2 + =

n=0

(n + 1)(n + 2)an+2tn.

Usamos as propriedades que apresentamos anteriormente de forma a escrever o lado es-

querdo da equacao (21) como uma serie de potencias de t cujos coeficientes sao expressoes

dos coeficientes a ser determinados a0, a1, . . . Usando estas expressoes obtemos formulas

que dao os coeficientes an+k em termos dos coeficientes anteriores an+k1, an+k2, . . . Desta

forma obtemos qualquer coeficiente em termos dos dois primeiros coeficientes nao nulos

que serao as constantes arbitrarias da solucao geral.


26 5 EXERCICIOS SOBRE SOLUCOES EM SERIES DE POTENCIAS

5 Exerccios sobre Solucoes em Series de Potencias

1. Resolva a equacao diferencial dada em serie de potencias de t. Escreva uma formula

fechada para o termo geral de cada serie que compoe a solucao.

(a) y + ty + 2y = 0, y(0) = 4, y(0) = 1.

(b) (1 + t2)y 4ty + 6y = 0.

(c) (4 t2)y + 2y = 0.

(d) (3 t2)y 3ty y = 0.

(e) (1 t)y + ty y = 0, y(0) = 3, y(0) = 2.

(f) 2y + ty + 3y = 0

2. Resolva a equacao diferencial dada em serie de potencias de t. Escreva os tres

primeiros termos nao nulos (se existirem) de cada serie que compoe a solucao.

(a) y + k2t2y = 0, em que k R.

(b) (1 t)y + y = 0.

(c) (2 + t2)y ty + 4y = 0, y(0) = 3, y(0) = 2.


27

Respostas dos Exerccios

1. (a) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao y + ty + 2y = 0, obtemos

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + t

n=0

(n + 1)an+1tn + 2

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

(n + 1)an+1tn+1 + 2

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=1

nantn + 2

n=0

antn = 0

2a2 + 2a0 +

n=1

[(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 2an]tn = 0

O que implica em{

2a2 + 2a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 2an = 0, n = 1, 2, 3, . . .

{a2 = a0an+2 = 1n+1an, n = 1, 2, 3, . . .

a4 =(1)2

3a0, a6 =

(1)3

53a0, a2n = (1)

n2nn!(2n)!

a0

a3 = 12a1, a5 = 142a1, a2n1 =(1)n

2nn!a1

Substituindo-se os valores an encontrados acima, na serie de y(t) obtemos

y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0

(

1 +

n=1

(1)n2nn!(2n)!

t2n

)

+ a1

(

t +

n=1

(1)n2nn!

t2n+1

)

Portanto, a solucao geral e

y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),



em que

y1(t) = 1 +

n=1

(1)n2nn!(2n)!

t2n

y2(t) = t +

n=1

(1)n2nn!

t2n+1

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

Agora, como y(0) = 4, entao substituindo t = 0 e y = 4 na expressao de y(t)

obtemos que a0 = 4. Como y(0) = 1, substituindo-se t = 0 e y = 1 na

expressao obtida derivando-se y(t):

y(t) = a0

n=1

(1)n2nn!(2n 1)! t

2n1 + a1

(

1 +

n=1

(1)n(2n + 1)2nn!

t2n

)

obtemos a1 = 1. Assim a solucao do problema de valor inicial e

y(t) = 4

(

1 +

n=1

(1)n2nn!(2n)!

t2n

)

(

t +

n=1

(1)n2nn!

t2n+1

)

(b) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (1+t2)y4ty+6y = 0, obtemos

(1 + t2)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn 4t

n=0

(n + 1)an+1tn + 6

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + t2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn 4

n=0

(n + 1)an+1tn+1

+6

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 4

n=0

(n + 1)an+1tn+1

+6

n=0

antn = 0


29

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=2

n(n 1)antn 4

n=1

nantn

+6

n=0

antn = 0

2a2+6a3t4a1t+6a0+6a1t+

n=2

[(n+2)(n+1)an+2+n(n1)an4nan+6an]tn = 0

O que implica em

2a2 + 6a0 = 06a3 + 2a1 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + n(n 1)an 4nan + 6an = 0, n = 2, 3, . . .

a2 = 3a0a3 = 13a1an+2 = (n3)(n2)(n+2)(n+1)an, n = 2, 3, . . .

a4 = 0, a6 = 0, a2n = 0, para n = 2, 3, . . .a5 = 0, a7 = 0, a2n+1 = 0, para n = 2, 3, . . .


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0(1 3t2

)+ a1

(

t 13t3)


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 3t2 e y2(t) = t 1

3t3

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0



(c) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn e y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na

equacao (4 t2)y + 2y = 0, obtemos

(4 t2)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + 2

n=0

antn = 0

4

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn t2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + 2

n=0

antn = 0

4

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 + 2

n=0

antn = 0

4

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=2

n(n 1)antn + 2

n=0

antn = 0

8a2 +4 3 2 a3t+2a0 +2a1t+

n=2

[4(n+2)(n+1)an+2n(n1)an +2an]tn = 0

O que implica em

8a2 + 2a0 = 04 3 2 a3 + 2a1 = 04(n + 2)(n + 1)an+2 n(n 1)an + 2an = 0, n = 2, 3, . . .

a2 = 14a0a3 = 143a1an+2 =

n2n24(n+2)(n+1)

an =n2

4(n+2)an, n = 2, 3, . . .

a4 = 0, a6 = 0, a2n = 0, para n = 2, 3, . . .a5 = 14253a1, a7 = 14375a1, a2n+1 = 14n(2n+1)(2n1)a1, n = 1, . . .


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0

(

1 14t2)

+ a1

(

t

n=1

1

4n(2n + 1)(2n 1)t2n+1

)


31


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 1

4t2 e y2(t) = t

n=1

1

4n(2n + 1)(2n 1)t2n+1

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

(d) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (3 t2)y3tyy = 0, obtemos

(3 t2)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn 3t

n=0

(n + 1)an+1tn

n=0

antn = 0

3

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn t2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn 3

n=0

(n + 1)an+1tn+1

n=0

antn = 0

3

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn+2 3

n=0

(n + 1)an+1tn+1

n=0

antn = 0

3

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=2

n(n 1)antn 3

n=1

nantn

n=0

antn = 0

6a2+322a3t3a1ta0a1t+

n=2

[3(n+2)(n+1)an+2n(n1)an3nanan]tn = 0



O que implica em

6a2 a0 = 032 2 a3 4a1 = 03(n + 2)(n + 1)an+2 n(n 1)an 3nan an = 0, n = 2, 3, . . .

a2 =1

32a0

a3 =232

a1an+2 =

n2+2n+13(n+2)(n+1)

an =(n+1)2

3(n+2)(n+1)an =

n+13(n+2)

an, n = 1, 2, . . .

a4 =3

3242a0, a6 =

5333642

a0, a2n = (2n)!3n22n(n!)2 a0, n = 2, 3, . . .a5 =

423253

a1, a7 =642

33753a1, a2n+1 = 2

2n(n!)2

3n(2n+1)!a1, n = 1, 2, . . .


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0

(

1 +

n=1

(2n)!

3n 22n(n!)2 t2n

)

+ a1

(

t +

n=1

22n(n!)2

3n(2n + 1)!t2n+1

)


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 +

n=1

(2n)!

3n 22n(n!)2 t2n e y2(t) = t +

n=1

22n(n!)2

3n(2n + 1)!t2n+1

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

(e) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao (1 t)y + ty y = 0, obtemos

(1 t)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + t

n=0

(n + 1)an+1tn

n=0

antn = 0


33

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn t

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

(n + 1)an+1tn+1

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn+1 +

n=0

(n + 1)an+1tn+1

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=1

(n + 1)nan+1tn +

n=1

nantn

n=0

antn = 0

2a2 a0 +

n=1

[(n + 2)(n + 1)an+2 n(n + 1)an+1 + nan an]tn = 0

O que implica em{

2a2 a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 n(n + 1)an+1 + nan an = 0, n = 1, 2, 3, . . .

{a2 =

12a0

an+2 =n

n+2an+1 n1(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, . . .

a3 =1

32a0, a4 =

2432

a0 14!a0 = 14!a0, a5 = 35!a0 25!a0 = 15!a0,

an+2 =n

n + 2

1

(n + 1)!a0

n 1(n + 2)(n + 1)

1

n!a0 =

1

(n + 2)!a0, para n = 0, 1, 2, . . .


y(t) =

n=0

antn

= a0

(

1 +

n=2

1

n!tn

)

+ a1t


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),



em que

y1(t) = 1 +

n=2

1

n!tn e y2(t) = t

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

Agora, como y(0) = 3, entao substituindo t = 0 e y = 3 na expressao dey(t) obtemos que a0 = 3. Como y(0) = 2, substituindo-se t = 0 e y = 2 naexpressao obtida derivando-se y(t):

y(t) = a0

n=2

1

(n 1)!tn1 + a1


y(t) = 3(

1 +

n=2

1

n!tn

)

+ 2t

(f) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na equacao 2y + ty + 3y = 0, obtemos

2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + t

n=0

(n + 1)an+1tn + 3

n=0

antn = 0

2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

(n + 1)an+1tn+1 + 3

n=0

antn = 0

2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=1

nantn + 3

n=0

antn = 0

4a2 + 3a0 +

n=1

[2(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 3an]tn = 0

O que implica em

{4a2 + 3a0 = 02(n + 2)(n + 1)an+2 + nan + 3an = 0, n = 1, 2, 3, . . .


35

{a2 = 34a0an+2 = n+32(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, . . .

a4 =53

22432a0, a6 = 753236!a0, a2n =

(1)n(2n+1)22nn!

a0, n = 1, 2, . . .

a3 = 4232a1, a5 = 64225432a1, a2n+1 =(1)n(n+1)!

(2n+1)!a1, n = 1, . . .


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0

(

1 +

n=1

(1)n(2n + 1)22n n! t

2n

)

+ a1

(

t +

n=1

(1)n(n + 1)!(2n + 1)!

t2n+1

)


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 +

n=1

(1)n(2n + 1)22n n! t

2n e y2(t) = t +

n=1

(1)n(n + 1)!(2n + 1)!

t2n+1

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

2. (a) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn e y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na

equacao y + k2t2y = 0, obtemos

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + k2

n=0

antn+2 = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + k2

n=2

an2tn = 0

2a2 + 6a3t +

n=2

[(n + 2)(n + 1)an+2 + k2an2]t

n = 0.



O que implica em

2a2 = 06a3 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 + k

2an2 = 0, n = 2, 3, . . .{

a2 = a3 = 0

an+2 = k2

(n+2)(n+1)an2, n = 2, 3, . . .

a4 = k2

43a0, a8 =

k4

8743a0,

a5 =k2

54a1, a9 =

k4

9854a1,

a6 = 0, a10 = 0, a4n+2 = 0, para n = 0, 1, 2, . . .a7 = 0, a11 = 0, a4n+3 = 0, para n = 0, 1, 2, . . .


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a4nt4n +

n=0

a4n+1t4n+1 +

n=0

a4n+2t4n+2 +

n=0

a4n+3t4n+3

=

n=0

a4nt4n +

n=0

a4n+1t4n+1

= a0

(

1 k2

4 3t4 +

k4

8 7 4 3t8 +

)

+

+a1

(

t k2

5 4t5 +

k4

9 8 5 4t9 +

)


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 k2

4 3t4 +

k4

8 7 4 3t8 +

y2(t) = t k2

5 4t5 +

k4

9 8 5 4t9 +

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0


37

(b) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn e y(t) =

n=0(n + 2)(n + 1)an+2tn na

equacao (1 t)y + y = 0, obtemos

(1 t)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn t

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn+1 +

n=0

antn = 0

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=1

(n + 1)nan+1tn +

n=0

antn = 0

2a2 + a0 +

n=1

[(n + 2)(n + 1)an+2 (n + 1)nan+1 + an]tn = 0

O que implica em{

2a2 + a0 = 0(n + 2)(n + 1)an+2 (n + 1)nan+1 + an = 0, n = 1, 2, 3, . . .

{a2 = 12a0an+2 =

nn+2

an+1 1(n+2)(n+1)an, n = 1, 2, 3, . . .

a3 =13a2 132a1 = 132a0 132a1

a4 =12a3 143a2 = 1322 a0 1322 a1 + 1432a0 = 1432a0 1322 a1


y(t) =

n=0

antn

= a0

(

1 12t2 1

3 2t3 1

4 3 2t4 +

)

+

+a1

(

t 13 2t

3 13 4t

4 + )


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),



em que

y1(t) = 1 1

2t2 1

3 2t3 1

4 3 2t4 +

y2(t) = t 1

3 2t3 1

3 4t4 +

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

(c) Substituindo-se y(t) =

n=0 antn, y(t) =

n=0(n + 1)an+1tn e

y(t) =

n=0(n+2)(n+1)an+2tn na equacao (2+ t2)y ty+4y = 0, obtemos

(2 + t2)

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn t

n=0

(n + 1)an+1tn + 4

n=0

antn = 0

2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn + t2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn

n=0(n + 1)an+1tn+1

+4

n=0 antn = 0

2

n=0

(n+2)(n+1)an+2tn+

n=0

(n+2)(n+1)an+2tn+2

n=1

nantn+4

n=0

antn = 0

2

n=0

(n + 2)(n + 1)an+2tn +

n=2

n(n 1)antn

n=1

nantn + 4

n=0

antn = 0

4a2+12a3ta1t+4a0+4a1t+

n=2

[2(n+2)(n+1)an+2+n(n1)annan+4an]tn = 0

O que implica em

4a2 + 4a0 = 012a3 + 3a1 = 02(n + 2)(n + 1)an+2 + n(n 1)an nan + 4an = 0, n = 2, 3, . . .

a2 = a0a3 = 14a1an+2 =

n(n2)42(n+2)(n+1)

an, n = 2, 3, . . .

a4 =1

32a0, a6 =

130

a0, a5 =

75422

a1, a7 =19

654222a1,


39


y(t) =

n=0

antn

=

n=0

a2nt2n +

n=0

a2n+1t2n+1

= a0

(

1 t2 + 13 2t

4 + )

+

+a1

(

t +7

5 42 2t3 19

6 5 42 22 t5 +

)


y(t) = a0y1(t) + a1y2(t),

em que

y1(t) = 1 t2 +1

3 2t4 +

y2(t) = t +7

5 42 2t3 19

6 5 42 22 t5 +

pois

det

[y1(0) y2(0)y1(0) y

2(0)

]

= det

[1 00 1

]

= 1 6= 0

Agora, como y(0) = 3, entao substituindo t = 0 e y = 3 na expressao dey(t) obtemos que a0 = 3. Como y(0) = 2, substituindo-se t = 0 e y = 2 naexpressao obtida derivando-se y(t):

y(t) = a0

(

2t + 23t3 +

)

+

+a1

(

1 +3 7

5 42 2t2 19

6 42 22 t4 +

)


y(t) = 3(

1 t2 + 13 2t

4 + )

+

+2

(

t +7

5 42 2t3 19

6 5 42 22 t5 +

)


40 6 TRANSFORMADA DE LAPLACE

6 Transformada de Laplace

6.1 Introducao

A transformada de Laplace pode ser usada para resolver equacoes diferencias lineares

com coeficientes constantes, ou seja, equacoes da forma

ay + by + cy = f(t), para a, b, c R

Para isso, a equacao diferencial e inicialmente transformada pela transformada de Laplace

numa equacao algebrica. Depois resolve-se a equacao algebrica e finalmente transforma-se

de volta a solucao da equacao algebrica na solucao da equacao diferencial inicial.

A transformada de Laplace de uma funcao f : [0,) R e definida por

L(f)(s) = F (s) =

0

estf(t)dt.

para todo s 0 em que a integral acima converge. Representaremos a funcao original poruma letra minuscula e a sua variavel por t, e a sua transformada de Laplace pela letra

correspondente maiuscula e a sua variavel. Por exemplo, as transformadas de Laplace das

funcoes f(t), g(t) e h(t) serao representadas por F (s), G(s) e H(s), respectivamente.

Exemplo 8. A transformada de Laplace da funcao f : [0,) R definida por f(t) = 1e dada por

F (s) =

0

est 1 dt =est

s

0

= limA

esA

s es0

s = 0 es0

s =1

s, para s > 0.

Exemplo 9. Seja a uma constante real. A transformada de Laplace da funcao

f : [0,) R definida por f(t) = eat e dada por

F (s) =

0

est eat dt =

0

e(sa)t dt =e(sa)t

a s

0

= 0e(sa)0

a s =1

s a, para s > a.


6.1 Introducao 41

Teorema 5 (Linearidade). Se a transformada de Laplace de f(t) e F (s), para s > a1,

e a transformada de Laplace de g(t) e G(s), para s > a2, entao para constantes e

L(f + g)(s) = L(f)(s) + L(g)(s) = F (s) + G(s), para s > max{a1, a2}.

Exemplo 10. Seja a uma constante real. A transformada de Laplace da funcao

h : [0,) R definida por h(t) = eiat e dada por

H(s) =

0

est eiat dt =

0

e(sia)t dt =e(sia)t

(s ia)

0

= limA

esA(cos aA + i sen aA) e(sia)0

(s ia) = 0 e(sia)0

ia s

=1

s ia, para s > 0.

Exemplo 11. Seja a uma constante. Vamos determinar a transformada de Laplace das

funcoes f : [0,) R dada por f(t) = cos at e g : [0,) R dada por g(t) = sen at.No exemplo anterior calculamos a transformada de Laplace de

h(t) = eiat = cos at + i sen at = f(t) + ig(t)

Pela linearidade da transformada de Laplace (Teorema 5)

H(s) = L(h)(s) = L(f)(s) + iL(g)(s) = F (s) + iG(s)

Comparando a parte real (imaginaria) do lado direito com a parte real (imaginaria) do

lado esquerdo da igualdade obtemos

F (s) = Re{ 1s ia} = Re{

s + ia

(s ia)(s + ia)} =s

s2 + a2, para s > 0

G(s) = Im{ 1s ia} = Im{

s + ia

(s ia)(s + ia)} =a

s2 + a2, para s > 0.

Exemplo 12. Seja n um inteiro positivo. Deixamos como exerccio mostrar que a trans-

formada de Laplace da funcao f : [0,) R dada por f(t) = tn e dada por

F (s) =n!

sn+1, para s > 0.



Teorema 6 (1o. Teorema de Deslocamento). Seja a uma constante. Se a transfor-

mada de Laplace da funcao f : [0,) R e F (s), para s > c, entao a transformada deLaplace da funcao

g(t) = eatf(t)

e

G(s) = F (s a), para s > a + c

Exemplo 13. Sejam a e b constantes. Usando o Teorema anterior obtemos que a trans-

formada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = ebt cos at e dada por

F (s) =s b

(s b)2 + a2 , para s > a.

Exemplo 14. Sejam a e b constantes. Usando o Teorema anterior obtemos que a trans-

formada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = ebt sen at e dada por

F (s) =a

(s b)2 + a2 , para s > a.

Exemplo 15. Seja a um constante e n um inteiro positivo. Usando o Teorema anterior

obtemos que a transformada de Laplace de f : [0,) R dada por f(t) = eat tn e dadapor

F (s) =n!

(s a)n+1 , para s > a.

Exemplo 16. Seja a uma constante. Pelo Teorema anterior a transformada de Laplace

do cosseno hiperbolico de at, f(t) = cosh at =eat + eat

2, e dada por

F (s) =1

2

1

s a +1

2

1

s + a=

s

s2 a2 , para s > |a|.


6.1 Introducao 43

Exemplo 17. Seja a uma constante. Pelo Teorema anterior a transformada de Laplace

do seno hiperbolico de at, f(t) = senh at =eat eat

2, e dada por

F (s) =1

2

1

s a 1

2

1

s + a=

a

s2 a2 , para s > |a|.

Exemplo 18. Se a transformada de Laplace de uma funcao f(t) e

F (s) =s + 3

s2 3s + 2entao vamos determinar a funcao f(t). Para isso vamos decompor F (s) em fracoes parci-

ais. O denominador de F (s) tem duas razes reais s = 1 e s = 2. Assim,

F (s) =s + 3

(s 1)(s 2) =A

s 1 +B

s 2 ,

em que A e B sao constantes a determinar. Multiplicando F (s) por (s1)(s2) obtemos

s + 3 = A(s 2) + B(s 1) = (A + B)s + (2A B)

Comparando os termos de mesmo grau obtemos

1 = A + B e 3 = 2A B

de onde obtemos que A = 4 e B = 5. Assim,

F (s) =s + 3

(s 1)(s 2) = 41

s 1 + 51

s 2

e a funcao cuja transformada e F (s) e

f(t) = 4et + 5e2t.




F (s) =s 3

s2 + 4s + 4

entao vamos determinar a funcao f(t). O denominador de F (s) tem somente uma raiz

real, s = 2. Podemos reescrever F (s) da seguinte forma

F (s) =s 3

(s + 2)2=

s + 2 5(s + 2)2

=s + 2

(s + 2)2+

5(s + 2)2

=1

s + 2 5 1

(s + 2)2.

Observando a Tabela na pagina 45, usando o 1o. Teorema do deslocamento e o Teorema

da Linearidade vemos que a funcao cuja transformada de Laplace e F (s) e dada por

f(t) = e2t 5e2tt.


F (s) =s 2

2s2 + 2s + 2

entao vamos determinar a funcao f(t). Completando quadrados podemos reescrever F (s)

da seguinte forma

F (s) =s 2

2s2 + 2s + 2=

s 22[s2 + s + 1]

=s 2

2[(s + 1/2)2 + 3/4]

=s + 1/2 5/2

2[(s + 1/2)2 + 3/4]=

s + 1/2

2[(s + 1/2)2 + 3/4] 5/2

2[(s + 1/2)2 + 3/4]

=1

2

s + 1/2

(s + 1/2)2 + 3/4 5

4

1

(s + 1/2)2 + 3/4

=1

2

s + 1/2

(s + 1/2)2 + 3/4 5

2

3

3/2

(s + 1/2)2 + 3/4

Observando a Tabela na pagina 45, usando o 1o. Teorema do deslocamento e o Teorema

da Linearidade vemos que a funcao cuja transformada de Laplace e F (s) e dada por

f(t) =1

2et/2 cos

(3

2t

)

52

3et/2sen

(3

2t

)

.


6.2 Tabela de Transformadas de Laplace 45

6.2 Tabela de Transformadas de Laplace

Transformadas de Laplace Elementares

f(t) F (s) = L(f)(s) f(t) F (s) = L(f)(s)

11

s, para s > 0 eat

1

s a , para s > a

cos ats

s2 + a2, para s > 0 sen at

a

s2 + a2, para s > 0

tn, para n Z+ n!sn+1

, para s > 0 eatf(t) F (s a)

f (t) sF (s) f(0) f (t) s2F (s)sf(0)f (0)

t cos ats2 a2

(s2 + a2)2, s > 0 t sen at

2as

(s2 + a2)2, s > 0

sen at at cos at 2a3

(s2 + a2)2, s > 0 f(t)(t t0))(s) et0sf(t0), s > 0

ua(t) =

{0, 0 t< a1, t a

eas

s, para s > 0 ua(t)f(ta) easF (s)



6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial

Dizemos que uma funcao f : [0,) R e seccionalmente contnua ou contnuapor partes se f(t) e contnua em [0,) exceto possivelmente em um numero finito depontos, nos quais os limites laterais existem.

Teorema 7 (Derivacao). (a) Suponha que f : [0,) R seja derivavel com f (t)seccionalmente contnua. Entao

L(f )(s) = sF (s) f(0),

em que F (s) e a transformada de Laplace de f(t).

(b) Suponha que f : [0,) R seja derivavel duas vezes com f (t) seccionalmentecontnua. Entao

L(f )(s) = s2F (s) sf(0) f (0),

em que F (s) e a transformada de Laplace de f(t).

Exemplo 21. Seja a uma constante. Seja f(t) = t sen at. Vamos determinar F (s).

f (t) = sen at + at cos at

f (t) = 2a cos at a2t senat = 2a cos at a2f(t)

Assim, aplicando-se a transformada de Laplace e usando o Teorema anterior obtemos

s2F (s) sf(0) f (0) = 2a ss2 + a2

a2F (s)

Assim,

F (s) =2as

(s2 + a2)2


6.3 Solucao de Problemas de Valor Inicial 47

Exemplo 22. Seja a uma constante. Seja f(t) = t cos at. Deixamos como exerccio

mostrar que

F (s) =s2 a2

(s2 + a2)2

Exemplo 23. Vamos resolver o seguinte problema de valor inicial

y + 2y + 5y = 4et cos 2t, y(0) = 1, y(0) = 0

Aplicando-se a transformada de Laplace a equacao acima obtemos

(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 2 (sY (s) y(0)) + 5Y (s) = 4 s + 1

(s + 1)2 + 4

Substituindo-se os valores y(0) = 1 e y(0) = 0 obtemos

(s2 + 2s + 5

)Y (s) = 4

s + 1

(s + 1)2 + 4+ s + 2

=4s + 4 + (s + 2)(s2 + 2s + 5)

s2 + 2s + 5

=s3 + 4s2 + 13s + 14

s2 + 2s + 5

Assim,

Y (s) =s3 + 4s2 + 13s + 14

(s2 + 2s + 5)2

Como o denominador tem somente razes complexas, para decompor Y (s) em fracoes

parciais vamos encontrar A,B,C e D tais que

Y (s) =As + B

s2 + 2s + 5+

Cs + D

(s2 + 2s + 5)2

ou seja

s3 + 4s2 + 13s + 14 = (As + B)(s2 + 2s + 5) + (Cs + D)

= As3 + (B + 2A)s2 + (2B + 5A + C)s + (5B + D)



Comparando-se os termos de mesmo grau obtemos o sistema

A = 12A + B = 45A + 2B + C = 13

5B + D = 14

que tem solucao A = 1, B = 2, C = 4 e D = 4. Assim,

Y (s) =s + 2

s2 + 2s + 5+

4s + 4

(s2 + 2s + 5)2=

s + 1 + 1

(s + 1)2 + 4+ 4

s + 1

[(s + 1)2 + 4]2

=s + 1

(s + 1)2 + 4+

1

2

2

(s + 1)2 + 4+

2 2(s + 1)[(s + 1)2 + 4]2

De onde obtemos

y(t) = et cos 2t +1

2et sen 2t + tet sen 2t

6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo

x

y

a

1

Figura 1: Funcao de Heaviside

Seja a uma constante maior ou igual a zero. Vamos definir a funcao degrau unitario

ou funcao de Heaviside por

ua(t) =

{0, para 0 t < a1, para t a


6.4 Equacoes com o Termo nao Homogeneo Descontnuo 49

Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao de Heaviside f(t) = ua(t).

F (s) =

0

estua(t) dt =

a

est dt =est

s

a

= 0 esa

s =eas

s, para s > 0

Exemplo 24. Vamos calcular a transformada de Laplace da funcao

f(t) =

{1, para 0 t < 20, para t 2

Esta funcao pode ser escrita em termos da funcao de Heaviside como

f(t) = 1 u2(t).

Assim usando a linearidade da Transformada de Laplace obtemos

F (s) =1

s e

2s

s.

0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

x

y

Figura 2: Funcao f(t) = 1 u2(t)




f(t) =

0, para 0 t < 12, para 1 t < 20, para t 2


f(t) = 2u1(t) 2u2(t).

Assim usando a linearidade da Transformada de Laplace obtemos

F (s) = 2es

s 2e

2s

s.

0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 30.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

x

y

Figura 3: Funcao f(t) = 2u1(t) 2u2(t)



Teorema 8 (2o. Teorema de Deslocamento). Seja a uma constante positiva. Se a

transformada de Laplace da funcao f : [0,) R e F (s), para s > c, entao a transfor-mada de Laplace da funcao

g(t) = ua(t)f(t a)

e

G(s) = easF (s), para s > c

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

x

y

Figura 4: Funcao f(t) = sen t u2(t)sen(t 2)


f(t) =

{sen t, para 0 t < 20, para t 2


f(t) = sen t u2(t) sen t.



Para usarmos o Teorema 8 precisamos escrever a segunda parcela em termos de uma

funcao g(t 2). Como sen t = sen(t 2), entao

f(t) = sen t u2(t)sen(t 2)

e

F (s) =1

s2 + 1 e2s 1

s2 + 1.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

x

y

Figura 5: Funcao f(t) = sen t u(t)sen t


f(t) =

{sen t, para 0 t < 0, para t


f(t) = sen t u(t)sen t.

Para usarmos o Teorema 8 precisamos escrever a segunda parcela em termos de uma

funcao g(t ). Como sen t = sen(t ), entao

f(t) = sen t + u(t)sen(t )



0 5 10 15 200.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

x

y

Figura 6: Solucao do problema de valor inicial do Exemplo 28

e

F (s) =1

s2 + 1+ es

1

s2 + 1.

Exemplo 28. Vamos resolver o seguinte problema de valor inicial

2y + 2y + 2y = f(t), y(0) = 0, y(0) = 0,

em que

f(t) =

0, para 0 t < 22, para 2 t < 100, para t 10


f(t) = 2u2(t) 2u10(t).

Aplicando-se a transformada de Laplace a equacao acima obtemos

2(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 2 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 2e

2s

s 2e

10s

s


(2s2 + 2s + 2

)Y (s) = 2

e2s e10ss



Assim,

Y (s) =e2s e10ss(s2 + s + 1)

= (e2s e10s)H(s),em que

H(s) =1

s(s2 + s + 1)

Depois de encontrar a funcao h(t) cuja transformada de Laplace e H(s), a solucao do

problema de valor inicial e entao, pelo 2o. Teorema de Deslocamento, dada por

y(t) = h(t 2)u2(t) h(t 10)u10(t).

Vamos a seguir encontrar a funcao h(t) cuja transformada de Laplace e H(s). Como

s2 + s + 1 tem razes complexas, a decomposicao de H(s) em fracoes parciais e da forma

H(s) =A

s+

Bs + C

s2 + s + 1.

Multiplicando-se H(s) por s(s2 + s + 1) obtemos

1 = A(s2 + s + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + (A + C)s + A

Comparando os coeficientes dos termos de mesmo grau obtemos o sistema de equacoes

lineares

A + B = 0A + C = 0A = 1

que tem solucao A = 1, B = 1 e C = 1. Assim,

H(s) =1

s s + 1

s2 + s + 1=

1

s s + 1

(s + 1/2)2 + 3/4

=1

s s + 1/2

(s + 1/2)2 + 3/4 1/2

(s + 1/2)2 + 3/4

=1

s s + 1/2

(s + 1/2)2 + 3/4 1

3

3/2

(s + 1/2)2 + 3/4

De onde obtemos que a funcao cuja transformada de Laplace e H(s) e

h(t) = 1 et/2 cos(

3

2t

)

13et/2sen

(3

2t

)

e a solucao do problema de valor inicial e dado por

y(t) = h(t 2)u2(t) h(t 10)u10(t).


6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac 55

6.5 Transformada de Laplace do Delta de Dirac

O delta de Dirac (t) e uma funcao generalizada definida pela seguinte propriedade

0

f(t)(t t0)dt = f(t0), para toda funcao f : [0,) R seccionalmente contnua(22)

Aplicando a propriedade que define o delta de Dirac (22) obtemos que a transformada de

Laplace do delta e dada por

L((t t0))(s) =

0

est(t t0)dt = et0s

Tambem temos que

L(f(t)(t t0))(s) =

0

estf(t)(t t0)dt = et0sf(t0)

6.6 Convolucao

A convolucao de duas funcoes f, g : [0,) R e uma funcao definida por

(f g)(s) = t

0

f(t )g()d

Teorema 9. Seja F (s) a transformada de Laplace de f : [0,) R e G(s) a transfor-mada de Laplace de g : [0,) R. Entao,

L(f g)(s) = F (s)G(s)

A convolucao satisfaz as seguintes propriedades:

(a) f g = g f

(b) f (g1 + g2) = f g1 + f g2

(c) (f g) h = f (g h)

(d) f 0 = 0 f = 0


56 7 EXERCICIOS SOBRE TRANSFORMADA DE LAPLACE

7 Exerccios sobre Transformada de Laplace

1. Resolva os problemas de valor inicial:

(a) y + y 2y = 2t, y(0) = 0, y(0) = 1

(b) y + 4y = t2 + 3et, y(0) = 0, y(0) = 2

(c) y 2y + y = tet + 4, y(0) = 1, y(0) = 1

(d) y 2y 3y = 3te2t, y(0) = 1, y(0) = 0

(e) y + 4y = 3 sen 2t, y(0) = 2, y(0) = 1

(f) y + y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =

{1, para 0 t < /20, para t /2

(g) y+2y+2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =

0, para 0 t < 2, para t < 20, para t 2

(h) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =

{sen t, para 0 t < 20, para t 2

(i) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =


(j) y +3y +2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =

{1, para 0 t < 100, para t 10

(k) y + 3y + 2y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =

{0, para 0 t < 21, para t 2

(l) y + y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 1, em que f(t) =

{0, para 0 t < 31, para t 3

(m) y+y+ 54y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =


(n) y + 4y = f(t), y(0) = 0,y(0) = 0, em que f(t) =

0, para 0 t < 1, para t < 30, para t 3

(o) y + y = (t 2) cos t, y(0) = 0, y(0) = 1

(p) y + 4y + 4y = f(t), y(0) = 2, y(0) = 3


57

Respostas dos Exerccios

1. (a)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ (sY (s) y(0)) 2Y (s) = 2 1

s2


(s2 + s 2

)Y (s) =

2

s2+ 1

Assim,

Y (s) =2

s2(s + 2)(s 1) +1

(s + 2)(s 1)

=2 + s2

s2(s + 2)(s 1)

Y (s) =A

s+

B

s2+

C

s + 2+

D

s 1

s2 + 2 = As(s2 + s 2) + B(s2 + s 2) + Cs2(s 1) + Ds2(s + 2)= (A + C + D)s3 + (A + B C + 2D)s2 + (2A + B)s + (2B)


A + C + D = 0A + B C + 2D = 1

2A + B = 0 2B = 2

que tem solucao A = 1/2, B = 1, C = 1/2 e D = 1. Assim,

Y (s) =1/2

s 1

s2 1/2

s + 2+

1

s 1

y(t) = 12 t 1

2e2t + et



0 0.5 1 1.5 21

0

1

2

3

4

5

x

y

(b)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4Y (s) =

2

s3+

3

s 1Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 2 obtemos

(s2 + 4

)Y (s) =

2

s3+

3

s 1 + 2

Assim,

Y (s) =2

s3(s2 + 4)+

3

(s 1)(s2 + 4) +2

s2 + 4

2

s3(s2 + 4)=

A

s+

B

s2+

C

s3+

Ds + E

s2 + 4

2 = As2(s2 + 4) + Bs(s2 + 4) + C(s2 + 4) + (Ds + E)s3

= (A + D)s4 + (B + E)s3 + (4A + C)s2 + 4Bs + 4C


A + D = 0B + E = 0

4A + C = 04B = 0

4C = 2


59

que tem solucao A = 1/8, B = 0, C = 1/2, D = 1/8 e E = 0. Assim,

2

s3(s2 + 4)= 1/8

s+

1

4

2

s3+

1

8

s

s2 + 4

3

(s 1)(s2 + 4) =A

s 1 +Bs + C

s2 + 4

3 = A(s2 + 4) + (Bs + C)(s 1) = (A + B)s2 + (B + C)s + (4A C)

A + B = 0 B + C = 0

4A C = 3

que tem solucao A = 3/5, B = 3/5 e C = 3/5. Assim,

3

(s 1)(s2 + 4) =3/5

s 1 3

5

s + 1

s2 + 4=

3/5

s 1 3

5

s

s2 + 4 3

10

2

s2 + 4

Y (s) = 1/8s

+1

4

2

s3+

1

8

s

s2 + 4+

3/5

s 1 3

5

s

s2 + 4 3

10

2

s2 + 4+

2

s2 + 4

y(t) = 18

+1

4t2 19

40cos 2t +

3

5et +

7

10sen 2t

0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

x

y

(c)(s2Y (s) sy(0) y(0)

) 2 (sY (s) y(0)) + Y (s) = 1

(s 1)2 +4

s




(s2 2s + 1

)Y (s) =

1

(s 1)2 +4

s+ s 1

Assim,

Y (s) =1

(s 1)4 +4

s(s 1)2 +s 1

(s 1)2

=1

(s 1)4 +4

s(s 1)2 +1

s 1

4

s(s 1)2 =A

s+

B

s 1 +C

(s 1)2

Multiplicando-se por s(s 1)2 obtemos

4 = A(s2 2s + 1) + B(s 1)s + Cs


A + B = 02A B + C = 0

A = 4


Y (s) =1

(s 1)4 +4

s 4

s 1 +4

(s 1)2 +1

s 1

=1

6

6

(s 1)4 +4

s 3

s 1 +4

(s 1)2

y(t) =1

6t3et + 4 3et + 4tet


61

0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

x

y

(d)(s2Y (s) sy(0) y(0)

) 2 (sY (s) y(0)) 3Y (s) = 3 1

(s 2)2Substituindo-se os valores y(0) = 1 e y(0) = 0 obtemos

(s2 2s 3

)Y (s) = 3

1

(s 2)2 + s 2

Assim,

Y (s) = 31

(s2 2s 3)(s 2)2 +s 2

s2 2s 3

= 31

(s 3)(s + 1)(s 2)2 +s 2

(s 3)(s + 1)

=3 + (s 2)3

(s 3)(s + 1)(s 2)2

=s3 6s2 + 12s 5

(s 3)(s + 1)(s 2)2

Y (s) =A

s 3 +B

s + 1+

C

s 2 +D

(s 2)2Multiplicando-se Y (s) por (s 3)(s + 1)(s 2)2 obtemos

s3 6s2 + 12s 5 =A(s + 1)(s2 4s + 4) + B(s 3)(s2 4s + 4) +C(s2 2s 3)(s 2) + D(s2 2s 3)




A + B + C = 13A 7B 4C + D = 6

16B + C 2D = 124A 12B + 6C 3D = 5

Resolvendo-se o sistema por escalonamento obtemos a solucao A = 1, B = 2/3,

C = 2/3 e D = 1. Assim,

Y (s) =1

s 3 +2/3

s + 1 2/3

s 2 1

(s 2)2

y(t) = e3t +2

3et 2

3e2t te2t

0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

x

y

(e)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4Y (s) = 3

2

s2 + 4

Substituindo-se os valores y(0) = 2 e y(0) = 1 obtemos(s2 + 4

)Y (s) = 3

2

s2 + 4+ 2s 1

Assim,

Y (s) =6

(s2 + 4)2+

2s 1s2 + 4


63

=6

16

16

(s2 + 4)2+ 2

s

s2 + 4 1

s2 + 4

=3

8

8

(s2 + 4)2+ 2

s

s2 + 4 1

2

2

s2 + 4

y(t) =3

8(sen 2t 2t cos 2t) + 2 cos 2t 1

2sen 2t

= 2 cos 2t 18sen 2t 3

4t cos 2t

1 0 1 2 3 4 5 63

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

x

y

(f)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ Y (s) =

1

s e

s/2

s


(s2 + 1

)Y (s) =

1

s e

s/2

s+ 1

Assim,

Y (s) =1

s(s2 + 1)+

1

s2 + 1 e

s/2

s(s2 + 1)

=1

s2 + 1+ H(s) es/2H(s),

em que

H(s) =1

s(s2 + 1)



y(t) = sen t + h(t) h(t /2)u/2(t).

H(s) =A

s+

Bs + C

s2 + 1.

Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 2s + 2) obtemos

1 = A(s2 + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + A

A + B = 0C = 0

A = 1


H(s) =1

s s

s2 + 1


h(t) = 1 cos t


y(t) = sen t + h(t) h(t /2)u/2(t) = 1 cos t + sen t u/2(t)(1 sen t).

2 0 2 4 6 8 10 122.5

2

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

x

y

(g)

(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 2 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 2e

s

s 2e

2s

s


65


(s2 + 2s + 2

)Y (s) = 2

es e2ss

+ 1

Assim,

Y (s) = 2es e2s

s(s2 + 2s + 2)+

1

s2 + 2s + 2

= (es e2s)H(s) + 1(s + 1)2 + 1

,

em que

H(s) =2

s(s2 + 2s + 2)

y(t) = h(t )u(t) h(t 2)u2(t) + etsen t.

H(s) =A

s+

Bs + C

s2 + 2s + 2.


2 = A(s2 + 2s + 2) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + (2A + C)s + 2A

A + B = 02A + C = 02A = 2


H(s) =1

s s + 2

s2 + 2s + 2=

1

s s + 2

(s + 1)2 + 1

=1

s s + 1

(s + 1)2 + 1 1

(s + 1)2 + 1


h(t) = 1 et cos t et sen t


y(t) = h(t )u(t) h(t 2)u2(t) + etsen t.



2 0 2 4 6 8 10 120.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

x

y

(h)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4Y (s) =

1

s2 + 1 e2s 1

s2 + 1


(s2 + 4

)Y (s) =

1

s2 + 1 e

2s

s2 + 1

Assim,

Y (s) =1

(s2 + 1)(s2 + 4) e

2s

(s2 + 1)(s2 + 4)

= H(s) e2sH(s)

em que

H(s) =1

(s2 + 1)(s2 + 4)

y(t) = h(t) u2(t)h(t 2)

H(s) =As + B

s2 + 1+

Cs + D

s2 + 4

Multiplicando-se por (s2 + 1)(s2 + 4):

1 = (As + B)(s2 + 4) + (Cs + D)(s2 + 1)

= (A + C)s3 + (B + D)s2 + (4A + C)s + (4B + D)


67


A + C = 0B + D = 0

4A + C = 04B + D = 1

Resolvendo-se o sistema obtemos a solucao A = 0, B = 1/3, C = 0 e D = 1/3.Assim,

H(s) =1/3

s2 + 1+

1/3s2 + 4

h(t) =1

3sen t 1

6sen 2t

y(t) = h(t) u2(t)h(t 2) =1

3sen t 1

6sen 2t u2(t)(

1

3sen t 1

6sen 2t)

1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

x

y

(i)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4Y (s) =

1

s2 + 1+ es

1

s2 + 1Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos

(s2 + 4

)Y (s) =

1

s2 + 1+

es

s2 + 1

Assim,

Y (s) =1

(s2 + 1)(s2 + 4)+

es

(s2 + 1)(s2 + 4)

= H(s) + esH(s)



em que

H(s) =1

(s2 + 1)(s2 + 4)

y(t) = h(t) + u(t)h(t )

Do exerccio anterior temos que

H(s) =1/3

s2 + 1+

1/3s2 + 4

Assim,

h(t) =1

3sen t 1

6sen 2t

e portanto

y(t) = h(t) + u(t)h(t ) =1

3sen t 1

6sen 2t + u(t)(

1

3sen t 1

6sen 2t)

1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

x

y

(j)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 3 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = 1

s e

10s

s


(s2 + 3s + 2

)Y (s) =

1

s e

10s

s

Assim,

Y (s) =1

s (s2 + 3s + 2) e

10s

s (s2 + 3s + 2)= H(s) e10sH(s)


69

em que

H(s) =1

s (s2 + 3s + 2)

y(t) = h(t) u10(t)h(t 10).

H(s) =1

s (s2 + 3s + 2)=

1

s(s + 1)(s + 2)=

A

s+

B

s + 1+

C

s + 2

Multiplicando H(s) por s (s2 + 3s + 2) obtemos

1 = A(s2 + 3s + 2

)+Bs(s+2)+Cs(s+1) = (A+B+C)s2+(3A+2B+C)s+2A

A + B + C = 03A + 2B + C = 02A = 1

que tem solucao A = 1/2, B = 1 e C = 1/2. Assim,

H(s) =1

2

1

s 1

s + 1+

1

2

1

s + 2

h(t) =1

2 et + 1

2e2t

y(t) = h(t) u10(t)h(t 10)

0 5 10 15 200.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

x

y

(k)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 3 (sY (s) y(0)) + 2Y (s) = e

2s

s




(s2 + 3s + 2

)Y (s) =

e2s

s+ 1

Assim,

Y (s) =1

s2 + 3s + 2+

e2s

s (s2 + 3s + 2)= Y1(s) + e

2sH(s)

em que

H(s) =1

s (s2 + 3s + 2)e Y1(s) =

1

s2 + 3s + 2

y(t) = y1(t) u2(t)h(t 2).

Y1(s) =1

s2 + 3s + 2= Y1(s) =

1

(s + 1)(s + 2)=

A

s + 1+

B

s + 2

Multiplicando Y1(s) por s2 + 3s + 2:

1 = A(s + 2) + B(s + 1) = (A + B)s + (2A + B)

{A + B = 0

2A + B = 1

que tem solucao A = 1 e B = 1. Assim,

Y1(s) =1

s + 1 1

s + 2

y1(t) = et e2t.

Do exerccio anterior

H(s) =1

2

1

s 1

s + 1+

1

2

1

s + 2

h(t) =1

2 et + 1

2e2t

y(t) = y1(t) + u2(t)h(t 2) = et e2t + u2(t)h(t 2)


71

2 0 2 4 6 8 100.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

x

y

(l)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ Y (s) =

e3s

s


(s2 + 1

)Y (s) =

e3s

s+ 1

Assim,

Y (s) =e3s

s(s2 + 1)+

1

s2 + 1

= e3sH(s) +1

s2 + 1,

em que

H(s) =1

s(s2 + 1)

y(t) = sen t + h(t 3)u3(t).

H(s) =A

s+

Bs + C

s2 + 1.


1 = A(s2 + 1) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + A

A + B = 0C = 0

A = 1




H(s) =1

s s

s2 + 1


h(t) = 1 cos t

y(t) = sen t + h(t 3)u3(t) = sen t + u3(t)[1 cos(t 3)]

5 0 5 10 15 20 251

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

x

y

(m)

(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ (sY (s) y(0)) + 5

4Y (s) =

1

s2 + 1+ es

1

s2 + 1

Substituindo-se os valores y(0) = 0 e y(0) = 0 obtemos(

s2 + s +5

4

)

Y (s) =1

s2 + 1+ es

1

s2 + 1

Assim,

Y (s) =1

(s2 + 1)(s2 + s + 5

4

) + es1

(s2 + 1)(s2 + s + 5

4

)

= H(s) + esH(s)

em que

H(s) =1

(s2 + 1)(s2 + s + 5

4

)


73

y(t) = h(t) + u(t)h(t )

H(s) =1

(s2 + 1)(s2 + s + 5

4

) =As + B

s2 + 1+

Cs + D

s2 + s + 54

Multiplicando-se H(s) por (s2 + 1)(s2 + s + 5

4

):

1 = (As + B)(s2 + s +5

4) + (Cs + D)(s2 + 1)

= (A + C)s3 + (A + B + D)s2 + (5

4A + B + C)s + (

5

4B + D)

A + C = 0A + B + D = 0

54A + B + C = 0

54B + D = 1

Resolvendo-se o sistema por escalonamento obtemos a solucao A = 16/17,B = 4/17, C = 16/17 e D = 12/17. Assim,

H(s) =4

17

(4s + 1s2 + 1

+4s + 3

s2 + s + 54

)

=4

17

(

4 ss2 + 1

+1

s2 + 1+

4s + 3

(s + 1/2)2 + 1

)

=4

17

(

4 ss2 + 1

+1

s2 + 1+ 4

s + 3/4

(s + 1/2)2 + 1

)

=4

17

(

4 ss2 + 1

+1

s2 + 1+ 4

s + 1/2

(s + 1/2)2 + 1+

1

(s + 1/2)2 + 1

)

h(t) =4

17

(4 cos t + sen t + 4et/2 cos t + et/2 sen t

)

y(t) = h(t) + u(t)h(t )



2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 182

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

x

y

(n)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4Y (s) = 2

es

s 2e

3s

s


(s2 + 4

)Y (s) = 2

es e3ss

Assim,

Y (s) = 2es e2s

s(s2 + 4)

= (es e3s)H(s),

em que

H(s) =2

s(s2 + 4)

y(t) = u(t)h(t ) u3(t)h(t 3).

H(s) =2

s(s2 + 4)=

A

s+

Bs + C

s2 + 4.

Multiplicando-se H(s) por s(s2 + 4) obtemos

2 = A(s2 + 4) + (Bs + C)s = (A + B)s2 + Cs + 4A

A + B = 0C = 0

4A = 2


75

que tem solucao A = 1/2, B = 1/2 e C = 0. Assim,

H(s) =1

2

1

s 1

2

s

s2 + 4


h(t) =1

4 1

4cos 2t

y(t) = u(t)h(t ) u3h(t 3)

2 0 2 4 6 8 10 120.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

x

y

(o)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ Y (s) = e2s cos(2)


(s2 + 1

)Y (s) = e2s + 1

Assim,

Y (s) =e2s

s2 + 1+

1

s2 + 1


y(t) = u2(t) sen(t 2) + sen t = (u2(t) + 1)sen t.



(p)(s2Y (s) sy(0) y(0)

)+ 4 (sY (s) y(0)) + 4Y (s) = G(s)

Substituindo-se os valores y(0) = 2 e y(0) = 3 obtemos(s2 + 4s + 4

)Y (s) = G(s) + 5 + 2s

Assim,

Y (s) =G(s)

s2 + 4s + 4+

5 + 2s

s2 + 4s + 4

=G(s)

(s + 2)2+

5 + 2s

(s + 2)2

5 + 2s

(s + 2)2=

A

s + 2+

B

(s + 2)2

Multiplicando-se por (s + 2)2 obtemos

5 + 2s = A(s + 2) + B = As + (2A + B)


{A = 2

2A + B = 5

que tem solucao A = 2 e B = 1. Assim,

Y (s) =G(s)

(s + 2)2+

2

s + 2+

1

(s + 2)2

y(t) = (e2tt g)(t) + 2e2t + e2tt

=

t

0

e2(t)(t )g()d + 2e2t + e2tt


REFERENCIAS 77

Referencias

[1] William E. Boyce and Richard C. DiPrima. Equacoes Diferenciais Elementares e

Problemas de Valores de Contorno. Livros Tecnicos e Cientficos Editora S.A., Rio de

Janeiro, 7a. edition, 2002.

[2] Erwin Kreiszig. Matematica Superior. Livros Tecnicos e Cientficos Editora S.A., Rio

de Janeiro, 2a. edition, 1985.

[3] Reginaldo J. Santos. Um Curso de Geometria Analtica e Algebra Linear. Imprensa

Universitaria da UFMG, Belo Horizonte, 2002.

[4] Dennis G. Zill and Michael R. Cullen. Equacoes Diferenciais. Makron Books, Sao

Paulo, 3a. edition, 2001.


Equaes HomogneasSolues FundamentaisFrmula de EulerObtendo uma Segunda Soluo

Eqs. Homogneas com Coeficientes ConstantesA Equao Caracterstica Tem Duas Razes ReaisA Equao Caracterstica Tem Duas Razes ComplexasA Equao Caracterstica Tem Somente Uma Raiz Real

Equaes no HomogneasEqs. Lineares no Homogneas com Coeficientes Constantes

Equaes com Coeficientes no ConstantesSubstituies em Equaes de 2a. OrdemEquaes que no Contm yEquaes que no Contm tEquaes de Euler

Solues em Sries de Potncias

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